【技术分享】自动收发RS-485偏置电阻与终端电阻的选用，你知多少？
rs-485自动收发电路比带控制脚电路在应用上少一个i/o脚，在主控资源紧张时会更受欢迎。那么自动收发电路是怎么实现自动收发功能以及在选用偏置电阻与终端电阻时需考虑什么因素呢？
rs-485自动收发原理
常见rs-485自动收发电路简图如图1所示，将收发器接收使能脚re和发送使能脚de短接在三极管q1的集电极，发送端di和三极管q1发射集接地，mcu的txd接在三极管q1的基极。以下是自动收发电路工作的过程。
当mcu通过txd发送0时，三极管q1截止，de使能，因为di接地，此时发送低电平；
当mcu通过txd发送1时，三极管q1导通，re使能，此时收发器的di引脚与ab端之间为高阻状态，因为有ab的上下拉电阻的存在，此时总线逻辑状态为1，该节点进入接收模式和发送高电平模式。
图1 rs-485自动收发电路简图
偏置电阻与终端电阻的作用
rs-485总线的偏置电阻主要是给a、b确定的逻辑状态，我司rs-485自动收发产品内部都带有上下拉电阻，用户可以根据实际应用环境如逻辑1电平幅值低等原因，选择外加一个较小阻值的上下拉电阻来提升驱动能力，该电阻与模块内部 a/b 线自带上下拉电阻是并联的。rs-485总线的终端电阻主要是用于信号线的阻抗匹配、提供通信线缆寄生电容能量的泄放路径、提高信号质量。我们常用的rs-485的屏蔽双绞线的差分特性阻抗为100ω~150ω，由于rs-485收发器输入阻抗较高（rsm485pht的输入阻抗最小为1/4单位负载即48kω），在信号传输到总线末端时由于接收的瞬时阻抗发送突变，导致信号发送反射，同时若通信距离远线缆寄生电容较大，能量泄放缓慢。这时我们需要选用终端电阻来消除或降低此情况对通信信号的影响。因为rs-485自收发电路总线端的逻辑1是通过ab的偏置电阻来提供，其驱动能力要弱于推挽方式，因此自收发电路选用的终端电阻值一般偏大并且一般会再加小的偏置电阻来调节总线的电压。
理想的rs-485总线电平
通常情况下，发送驱动器a、b之间的逻辑电平1位于+2～+6v，逻辑电平0位于-2～-6v。接收器也作与发送端相对的规定，通常情况下当接收端ab之间电平大于+200mv时，输出逻辑电平1，小于-200mv时，输出逻辑电平0，见下图2。空闲时刻a、b差分电平应处于逻辑1。图2 rs-485逻辑电平图考虑到线阻及信号的抗扰能力，通信时我们一般会使总线端的逻辑1电平尽可能远离+200mv，逻辑0电平尽可能远离-200mv。数据波形的上升沿和下降沿尽可能地陡峭，同时波形没有过冲或振铃等。如下图3所示为较为理想的rs-485通信波形图。
图3 较理想的rs-485通信波形图
偏置电阻的选用
本文以我司自收发产品rsm485pht为例进行说明，该产品内置完整的dc-dc电路、信号隔离电路，具有较强的抗扰性和高可靠性，具备自动收发功能。该产品的a、b线内置47kω的上、下拉电阻，收发器输入阻抗最小值为48kω。
本次测试的硬件框图如图4所示，在通信速率为500kbps、总线上挂6个通信节点、双绞线总长度约为3m的情况下，抓取总线波形如图5所示，逻辑1的差分电压约为1.60v。
图4 rsm485pht组网通信框图
图5 3m双绞线、500kbps时vab波形
下图为本次rsm485pht测试的电阻分压等效图，当总线上有6个节点进行通信时，相当于6个r上、6个r下、6个r内并联，此时vab高电平电压计算值为vab=(r内/6)/(r上/6+r内/6+r下/6)*vcc，取vcc=5.1v，vab=1.72v。考虑到线阻的分压，此计算值1.72v与实测波形幅值1.60v基本吻合。
图6 rsm485pht电阻分压等效图
因为总线端逻辑1电平幅值仅有1.6v左右，该幅值的抗扰能力相对较弱且影响了通信距离的进一步拉长，现考虑通过外加偏置电阻将总线幅值抬高至3.5v左右。通过公式vab=(r内/6)/(r上等效+r内/6+r下等效)*vcc，可计算出r上等效=r上等效≈2.75kω，外加上下拉电阻值约为4.1kω。如图7所示为外接3.5kω上下拉电阻时总线的通信波形图（外加偏置电阻增加功耗约为5.1v/3.5k≈1.4ma，在可接受的范围内），因为实焊偏置电阻值3.5kω小于4.1kω，实际总线逻辑1幅值为3.92v高于预设值3.5v。
图7 外加3.5kω偏置电阻时差分波形图
接入终端电阻120ω*2
在上述接入3.5kω上下拉电阻的环境下再接入120ω的终端电阻，此时电阻分压等效图6中的r内等效≈60ω，将各数值代入vab=(r内等效)/(r上等效+r内等效+r下等效)*vcc，计算得出电压约为60mv，测试波形如图8所示。此时高电平处于门限-200mv~+200mv门限内，收发器无法识别逻辑1，造成通信错误。图8 接入120ω终端时差分波形图
总结
在使用我司自动收发模块rsm485pht或rsm485m时，如果总线逻辑1电平较低可通过外接偏置电阻来调节总线电平，偏置电阻值过小将增加额外的功耗，电阻值太大调节效果将不明显。偏置电阻值可以根据实际节点数量算出等效电阻值，再代入阻抗分压公式（vcc*r内等效）/（r上等效+r内等效+r下等效）=vab计算出，其中vcc可取5.1v，vab一般取2.5v~4.0v。具备自动收发功能的模块rsm485pht或rsm485m的总线逻辑1电平是通过ab线的偏置电阻来驱动，其能力弱于推挽驱动，因此一般情况下我们不建议用户加终端电阻。如果通信速率高、通信距离长，总线信号质量很差，需要加终端电阻来减弱反射信号或提供泄放寄生电容能量的路径，可以选择稍大阻值的电阻，并且可以考虑通过在ab线上加小阻值的偏置电阻两者配合共同来调节总线的电平。总的来说在使用自动收发rs-485进行通信时一定要确保 a/b 线差分电压不会处于-200mv ~+200mv 范围内；若逻辑1或逻辑0的差分电平幅值较低，可以通过外加小的偏置电阻来进行调整；一般情况下不建议用户接终端电阻，如果要接尽量选择较大的阻值同时与外接偏置电阻搭配使用。
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常见rs-485自动收发电路简图如图1所示，将收发器接收使能脚re和发送使能脚de短接在三极管q1的集电极，发送端di和三极管q1发射集接地，mcu的txd接在三极管q1的基极。以下是自动收发电路工作的过程。
当mcu通过txd发送0时，三极管q1截止，de使能，因为di接地，此时发送低电平；
当mcu通过txd发送1时，三极管q1导通，re使能，此时收发器的di引脚与ab端之间为高阻状态，因为有ab的上下拉电阻的存在，此时总线逻辑状态为1，该节点进入接收模式和发送高电平模式。
图1 rs-485自动收发电路简图
偏置电阻与终端电阻的作用
rs-485总线的偏置电阻主要是给a、b确定的逻辑状态，我司rs-485自动收发产品内部都带有上下拉电阻，用户可以根据实际应用环境如逻辑1电平幅值低等原因，选择外加一个较小阻值的上下拉电阻来提升驱动能力，该电阻与模块内部 a/b 线自带上下拉电阻是并联的。rs-485总线的终端电阻主要是用于信号线的阻抗匹配、提供通信线缆寄生电容能量的泄放路径、提高信号质量。我们常用的rs-485的屏蔽双绞线的差分特性阻抗为100ω~150ω，由于rs-485收发器输入阻抗较高（rsm485pht的输入阻抗最小为1/4单位负载即48kω），在信号传输到总线末端时由于接收的瞬时阻抗发送突变，导致信号发送反射，同时若通信距离远线缆寄生电容较大，能量泄放缓慢。这时我们需要选用终端电阻来消除或降低此情况对通信信号的影响。因为rs-485自收发电路总线端的逻辑1是通过ab的偏置电阻来提供，其驱动能力要弱于推挽方式，因此自收发电路选用的终端电阻值一般偏大并且一般会再加小的偏置电阻来调节总线的电压。
理想的rs-485总线电平
通常情况下，发送驱动器a、b之间的逻辑电平1位于+2～+6v，逻辑电平0位于-2～-6v。接收器也作与发送端相对的规定，通常情况下当接收端ab之间电平大于+200mv时，输出逻辑电平1，小于-200mv时，输出逻辑电平0，见下图2。空闲时刻a、b差分电平应处于逻辑1。图2 rs-485逻辑电平图考虑到线阻及信号的抗扰能力，通信时我们一般会使总线端的逻辑1电平尽可能远离+200mv，逻辑0电平尽可能远离-200mv。数据波形的上升沿和下降沿尽可能地陡峭，同时波形没有过冲或振铃等。如下图3所示为较为理想的rs-485通信波形图。
图3 较理想的rs-485通信波形图
偏置电阻的选用
本文以我司自收发产品rsm485pht为例进行说明，该产品内置完整的dc-dc电路、信号隔离电路，具有较强的抗扰性和高可靠性，具备自动收发功能。该产品的a、b线内置47kω的上、下拉电阻，收发器输入阻抗最小值为48kω。
本次测试的硬件框图如图4所示，在通信速率为500kbps、总线上挂6个通信节点、双绞线总长度约为3m的情况下，抓取总线波形如图5所示，逻辑1的差分电压约为1.60v。
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图6 rsm485pht电阻分压等效图
因为总线端逻辑1电平幅值仅有1.6v左右，该幅值的抗扰能力相对较弱且影响了通信距离的进一步拉长，现考虑通过外加偏置电阻将总线幅值抬高至3.5v左右。通过公式vab=(r内/6)/(r上等效+r内/6+r下等效)*vcc，可计算出r上等效=r上等效≈2.75kω，外加上下拉电阻值约为4.1kω。如图7所示为外接3.5kω上下拉电阻时总线的通信波形图（外加偏置电阻增加功耗约为5.1v/3.5k≈1.4ma，在可接受的范围内），因为实焊偏置电阻值3.5kω小于4.1kω，实际总线逻辑1幅值为3.92v高于预设值3.5v。
图7 外加3.5kω偏置电阻时差分波形图
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总结
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